Расчет электрических нагрузок и выбор компенсирующих устройств

Характеристика объекта

Сварочный участок предназначен для подготовительных работ с изделиями. Он является частью механического цеха филиала ППМ «Уралэлектромедь».

Большинство электроприёмников сварочного участка цеха относится к приёмникам трёхфазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц (печи, вентиляторы, кран). Электросварочные установки переменного тока работают на промышленной частоте 50 Гц и представляют собой однофазную нагрузку в виде сварочных трансформаторов для дуговой сварки. Сварочные трансформаторы характеризуются низким коэффициентом мощности и частыми перемещениями в питающей сети.

На сварочном участке предусмотрены работы различного назначения: ручная электродуговая сварка и наплавка, полуавтоматическая и автоматическая импульсная наплавка под слоем флюса. Он оборудован электроустановками: термическими сварочными, вентиляционными, а также металлообрабатывающими станками.

Транспортные операции осуществляются с помощью кран-балки, электротали, наземных электротележек, ленточных конвейеров. Участок имеет механическое, термическое отделение, сварочные посты, отделение импульсной наплавки, где размещено основное оборудование.

Электроснабжение (ЭСН) обеспечивается от цеховой трансформаторной подстанции (ТП) 10/0,4 кВ, расположенной на расстоянии 50 м от здания участка. В перспективе от этой же ТП предусматривается ЭСН станочного участка с дополнительной нагрузкой.

Грунт в районе цеха - песок при температуре + 12 °С. Каркас здания сооружен из блоков-секций длиной 8, 6 и 4 м каждый. Размеры цеха АхВхН = 48х 30х8 м. Все помещения, двухэтажные высотой 3,6 м. Мощность электропотребления (Рэ11) указана для одного электроприемника.

Перечень ЭО цеха сварочного участка дан в таблице 1.

Таблица 1 – Перечень электрооборудования сварочного участка цеха.

Количество рабочих смен – 2.

По режиму работы электроприёмники могут быть разделены на три группы:

- с продолжительным режимом работы;

- с повторно-кратковременным режимом работы;

- с кратковременным режимом работы.

Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения и длительностью цикла.

Примером этой группы приёмников являются электродвигатель крана, сварочные аппараты.

Двигатели вентиляторов работают в продолжительном режиме работы. Нагрузка равномерная и симметричная по трём фазам. Толчки нагрузки имеют место только при пуске. Питание производится током промышленной частоты. Перерыв в электроснабжении чаще всего недопустим и может повлечь за собой опасность для жизни людей, серьёзное нарушение технологического процесса или повреждение оборудования.

Сварочные трансформаторы и преобразователи используются в установках дуговой сварки, они работают в повторно-кратковременном режиме с постоянными большими бросками мощности. Окружающая среда в цехе нормальная, расположение приёмников в цехе стационарное.

Дополнительные данные:

1. На ГПП установлены 2 трансформатора марки ТМН – 10000/110.

2. Мощность короткого замыкания на шинах 110 кВ подстанции энергосистемы S_k = 1500 МВА.

1.2 Определение категорий надежности и выбор схемы электроснабжения

К вопросам, которые должны быть решены в процессе проектирования систем электроснабжения промышленных предприятий, относятся следующие:

1) выбор наиболее рациональной с точки зрения технико-экономических показателей схемы питания предприятия;

2) правильный, технически и экономически обоснованный выбор числа и мощности трансформаторов для главной понизительной и цеховых подстанций;

3) выбор рационального числа трансформаций в системе электроснабжения промышленного предприятия;

4) выбор рациональных напряжений в схеме, определяющих, в конечном счете, размеры капиталовложений, расход цветного металла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы;

5) выбор электрических аппаратов, изоляторов и токоведущих частей в соответствии с требованиями технико-экономической целесообразности;

6) выбор сечений проводов, шин, кабелей в зависимости от ряда технических и экономических факторов;

7) выбор целесообразной мощности собственных электростанций и генераторных установок в случае их необходимости;

8) выбор трасс и способов прокладки электросетей с учетом коммуникаций энергохозяйства в целом.

Цеховые распределительные сети должны:

1. Обеспечивать необходимую надёжность электроснабжения приёмников электроэнергии в зависимости от их категорийности;

2. Быть удобными и безопасными в эксплуатации;

3. Иметь оптимальные технико-экономические показатели;

4. Иметь конструктивное исполнение, обеспечивающее применение индустриальных и скоростных методов монтажа.

5. Иметь высокую селективность защиты.

Радиальная схема электроснабжения представляет собой совокупность линий цеховой электрической сети, отходящих от РУ низшего напряжения ТП и предназначенных для питания небольших групп приемников электроэнергии, расположенных в различных местах цеха.

Распределение электроэнергии к отдельным потребителям при радиальных схемах осуществляют самостоятельными линиями от силовых пунктов, располагаемых в центре электрических нагрузок данной группы потребителей. Рекомендуется использовать как наиболее дешевые силовые пункты с предохранителями (типов СП, СПУ, ШРСУЗ). Радиальные схемы обеспечивают высокую надежность электроснабжения. Однако они требуют больших затрат на электрооборудование и монтаж, чем магистральные схемы.

Поэтому для питания цеха выбирается радиальная схема электроснабжения (рис.1.), что обеспечивает очень высокую селективность защиты и надежность электроснабжения, а за счет установки распределительных пунктов и малое число присоединений.

Рис.1. Схема электроснабжения цеха

Схема выполнена распределительными шинопроводами типа ШРА, которые предназначены для питания электроприёмников малой и средней мощности, равномерно распределенных вдоль линии магистрали.

В соответствии с заданием сварочный участок цеха по надёжности электроснабжения является потребителем II категории.

Электроприемники, обеспечивающие жизнедеятельность (вентиляция и кондиционирование), относятся к 2 категории надежности электроснабжения, а остальные – к 3.

Электроснабжение сварочного участка цеха от цеховой трансформаторной подстанции (ТП) 10/0,4 кВ, расположенной на расстоянии 50 м от здания участка.

В перспективе от этой же ТП предусматривается ЭСН станочного участка с дополнительной нагрузкой. Учитывая условия производства и категорийность нагрузок, для питания КПУ выбираем двух кабельную линию, проложенную по эстакаде. Такой способ прокладки обеспечивает доступность для осмотра КЛ и удобство её эксплуатации и ремонта.

Аналогично, по количеству питающих линий выбираем число силовых трансформаторов на ТП - два. Режим работы линий и трансформаторов - раздельный. При выходе из строя какого-либо элемента цепи, оставшийся в работе должен обеспечить работу хотя бы электроприёмников II категории в пределах допускаемых перегрузок.

Подключение питающих КЛ к силовым трансформаторам будет осуществляться посредством разъединителей, которые необходимы для отключения трансформатора в режиме холостого хода и создания надёжного видимого разрыва при производстве ремонтных работ. Необходимости в устройстве резервной перемычки 10 кВ нет. В РУ-0,4 кВ применим сборные шины, секционированные по числу трансформаторов. Каждый трансформатор работает на свою секцию шин, к которой подключена соответствующая группа электроприёмников.

В качестве коммутационных и защитных аппаратов на вводах, межсекционный и на отходящих линиях в РУ-0,4 кВ применим автоматические выключатели, с помощью которых возможна коммутация цепей в режиме холостого хода и под нагрузкой, а также автоматическое отключение цепей в анормальных режимах. Для распределения электроэнергии напряжением 0,4 кВ внутри участка применим распределительные пункты, щитки освещения, шинопровод. Подключение злектроприёмников будет осуществляться по смешанной схеме электроснабжения с помощью кабельных линий, проложенных в металлических коробах, трубах.

Расчетная часть

Расчет электрических нагрузок и выбор компенсирующих устройств

Расчет производится методом упорядоченных диаграмм. Этот метод сводится к расчету максимальных расчетных нагрузок электроприемников.

(1)

где К_с – коэффициент спроса электроприемников, определяется по [1, таблице 1.5.1];

Р_ЭП – активная мощность электроприемника.

(2)

где Р_р – средняя активная мощность;

tgφ– коэффициент реактивной мощности.

(3)

где Р_р – средняя активная мощность;

Q_р– средняя реактивная мощность.

(4)

где S_i– полная мощность i-го электроприемника;

m – масштаб нагрузки.

1) Сварочные преобразователи:

2) Сварочный полуавтомат:

3) Вентиляционные установки:

4) Сварочные выпрямители:

5) Токарные станки импульсной наплавки:

6) Сварочные агрегаты:

7) Кондиционеры:

8) Электропечи сопротивления:

9) Слиткообдирочные станки:

10) Сверлильные станки:

11) Кран- балка:

12) Конвейеры ленточные:

13) Обдирно – шлифовальные станки:

14) Сварочный стенд:

15) Сварочные трансформаторы:

16) Электротраль:

Все полученные данные заносим в таблицу 2.1

Таблица 2.1 Расчет электрических нагрузок низковольтной сети по группам подключения

Продолжение таблицы 2.1

2.2 Расчет компенсации реактивной мощности

Расчетную реактивную мощность компенсирующих устройств можно определить из соотношения:

, (5)

где QK. P. – расчетная мощность компенсирующего устройства, кВАР;

α – коэффициент, учитывающий повышение cosφ естественным способом, принимается α=0,9;

- коэффициенты реактивной мощности до и после компенсации соответственно. Компенсацию мощности производим до cosφ=0.92.

Сварочный преобразователь:

Сварочный полуавтомат:

Сварочный выпрямитель:

Токарный станок импульсной наплавки:

Сварочные агрегаты:

Слиткообдирочные станки:

Сверлильные станки:

Кран-балка:

Обдирно – шлифовальные станки:

Сварочный стенд:

Сварочный трансформатор:

Электротраль:

Компенсирующие устройства буду установлены в точках I, II, III и IV.

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке I равна:

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке II равна:

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке III равна:

Расчетная мощность компенсирующего устройства в точке II равна:

Типы компенсирующих устройств занесены в таблицу 2.2

Таблица 2.2 Типы компенсирующих устройств

Структура условного обозначения

Пример маркировки: УКРМ-0,4-40-УХЛ4

Пояснение маркировки:

УКРМ - установка компенсации реактивной мощности;

0,4 - номинальное напряжение, кВ;

40 - номинальная мощность, кВАр;

УХЛ4 - климатическое исполнение и категория размещения.

2.3 Расчет освещенности и нагрузки сети освещения

Кроме силовой нагрузки в цехе имеется осветительная нагрузка, расчетная величина которой определяется по формуле

P_р.о.= Р_уст ∙ К_с ∙ К_ПРА, (6)

Где: Р_уст – Установочная мощность ламп;

К_с – коэффициент спроса;

К_ПРА – коэффициент, учитывающий потери мощности в пускорегулирующей аппаратуре.

Для определения установочной мощности ламп необходимо найти их количество, которое зависит от размещения светильников в цехе.

Размещение светильников в плане и в разрезе цеха определяется следующими размерами:

Н=8м, Н_в=3,6 м – заданными высотами цеха и вспомогательных помещений;

h_c= 2м - расстоянием светильника от перекрытия;

h_п= Н - h_c – высотой светильника над полом;

h_p = 1 м – высотой расчетной поверхности над полом;

h = h_п - h_p – расчетной высотой;

L – расстояние между соседними светильниками или рядами ламп;

I – расстояние от крайних светильников до стены.

Основное требование при выборе расположения светильников заключается в доступности их при обслуживании. Кроме того, размещение светильников определяется условием экономичности. Важное значение имеет отношение расстояния между светильниками или рядами светильников к расчетной высоте λ=L/h, уменьшение его приводит к удорожанию осветительной установки и усложнению ее обслуживании, а чрезмерное увеличение приводит к резкой неравномерности освещения и к возрастанию расходов энергии.

При лучшем освещении легче обнаруживаются недостатки, допускаемые при обработке деталей и, следовательно, улучшается качество продукции. В свою очередь, недостаточное или нерациональное освещение могут стать причиной повышения травматизма, так как при недостаточной освещенности затрудняется различение опасных частей станков.

Существуют два вида освещения: естественное и искусственное.

Для освещения сварочного участка цеха предварительно выбираем светильники РСП 05-700-001с ртутно-кварцевыми лампами с исправленной цветностью типа ДРЛ.

Для выбранного светильника РСП 05-700-001, имеющего глубокую кривую силы свечения по [3,с.260,таблица 10.4] принимаем λ=1. Для освещения вспомогательных помещений выбраны светильники ЛПО 12-2х40-904 с люминесцентными лампами ЛБ, для которых λ=0,9.

Находим значение расчетной высоты h для цеха и вспомогательных помещений по формуле:

, (7)

Следовательно, расстояние между рядами светильников в цехе и во вспомогательных помещениях:

(8)

В соответствии с полученными значениями L выполнено размещение светильников в сварочном участке цеха, которое показано на рисунке 2.

Рис. 2. Размещение светильников в сварочном участке цеха

Для определения мощности ламп методом коэффициента использования рассчитывается световой поток каждого светильника, необходимый для получения нормы освещённости:

(9)

Где Ф – световой поток одного светильника, лм;

Е_н – нормированная минимальная освещенность, лк;

К_зап = 1,5 – коэффициент запаса;

S – площадь помещения, m²;

z = 1,15- коэффициент неравномерности для ламп ДРЛ;

ŋ- коэффициент использования светового потока, о.е.;

N- число светильников.

Для остальных помещений по формуле (2.9) при подстановки в неё вместо числа светильников N числа рядов n люминесцентных ламп рассчитывается световой поток ламп одного ряда.

Норма освещенности для станочного отделения цеха – Е_Н.i =300лк [4,c.94-100.]

Коэффициент использования светового потока является функцией индекса помещения i:

(10)

Здесь А – длина помещения, m;

В – ширина помещения, m.

Индекс помещения для механического отделения цеха согласно плану:

Кроме индекса помещения, для нахождения коэффициента использования светового потока необходимо знать коэффициенты отражения потолка, стен и рабочей поверхности.

Для чистого бетонного потолка, бетонных стен с окнами и темной расчетной поверхностью: р_п= 70%, р_с=50%, р_р=30% [4,табл.5-1] .

По [4,табл.5-9] определили коэффициент использования светового потока для половины механического отделения –ŋ= 90%.

В соответствии с планом размещения светильников (рис. 2.1.) определяем требуемый световой поток для половины механического отделения

лм

По [4, табл.2,15] выбираем лампы ДРЛ 400, имеющие мощность ламп Р_ном = 400 Вт и световой поток Ф_ном =23500лм. Световой поток выбранных ламп отличается от расчетного значения на 2,2%,что допустимо [3,с.261].

Индекс помещений [4,табл.5.11] для сварочного поста-1:

Требуемый световой поток для двух рядов светильников в сварочном посту-1:

Выбираем лампы ЛБ40-1, имеющие мощность P_ном =40 Вт и световой поток Ф_ном = 3000 лм.

(11)

Определяем число светильников N в одном ряду:

Здесь 2- число ламп в одном светильнике ЛПО12-2х40-904:

Суммарная длина N светильников ЛПО12-2х40-904

(12)

Здесь L₁ = 1,54m – длина одного светильника ЛПО12-2х40-904 [4,табл.3-9].

Аналогичным образом рассчитано число светильников и их суммарная длина для остальных помещений, расчет показан в таблице 2.3. При этом для всех остальных помещений выбраны светильники ЛПО12-2х40-904 с лампами ЛБ40-1

Общее число светильников ЛПО12-2х40-904 в цехе: N_л =54

Таблица 2.3. Расчет числа светильников для помещений цеха

Общее число ламп ЛБ-40 в цехе: N_л=108

Число ДРЛ400: N_д=36

Установленная мощность ламп:

(13)

Р_уст= 36·400+108·40=14400+4320=18720 Вт.

По [3,с 271] определили значение коэффициентов спроса и учета потерь мощности в пускорегулирующей аппаратуре для люминесцентных ламп и ламп ДРЛ: К_с=0,95; К_{ПРА Л} = 1,2; К_{ПРА Д} = 1,1. Следовательно, осветительная нагрузка цеха:

P_ро=14,4∙0,95·1,1+4,32·0,95·1,2=19,97 кВт;

Q_ро= P_ро∙tgφ_o=19,97∙0.33=6,59 кВАр

Таким образом, полная нагрузка цеха, с учетом осветительной нагрузки составляет:

Р_р∑= P_{цех р}+ Р_ро (14)

Q_р∑=Q_{цех р}+Q_ро (15)

Р_р∑= 392,0724+19,97=412,04 кВт.

Q_р∑= 291,4748+6,59=298,064 кВАр.

2.3 Выбор типа, числа и расчет мощности силовых трансформаторов на подстанции

Выбор типа, числа и схем питания подстанций должен быть обусловлен величиной и характером электрическим нагрузок, и надёжностью электроснабжения потребителей. ТП должна размещаться как можно ближе к центру размещения потребителей. Для этого применяем встроенную в здание ТП.

По категории электроснабжения данный объект относится к потребителям электроэнергии 2 и 3 категории потребителей, поэтому к установке применяются 2 трансформатора.

Определяем мощность трансформаторов:

(16)

где S_Ц– полная мощность цеха.

Определяем потери в трансформаторе:

(17)

(18)

(19)

C учетом расчетов выбираем 2 трансформатора ТМ – 400-10/0,4 – трансформаторы силовые масляные.

Производится проверка выбранного трансформатора на коэффициент загрузки формула:

(20)

(21)

- должен быть близок к значению 0,6-0,75;

- должен быть меньше или равен 1,4.

Коэффициенты загрузки соответствуют нормативам, данный трансформатор подходит для применения.

Выписываются паспортные данные трансформатора:

; ;

; .

Определяем расчётную мощность трансформаторной подстанции

а) Определяются потери в трансформаторе формула:

(22)

б) Определение потерь на трансформаторной подстанции формула:

(23)

в) Определение расчётной мощности трансформатора формула:

(24)

г) Выбор сечения высоковольтной линии производится по экономической плотности тока формула.

(25)

где J – плотность тока для кабельной линии и работы в две смены равна 1,4.

(26)

Выбирается для прокладки кабель с алюминиевыми жилами 16 мм² с допустимым током 46 А с поливинилхлоридной изоляцией.

12
3
Далее ⇒